Hermle MPA-Technologie: Generativ fertigen eröffnet neue Möglichkeiten

Mögliche Werkstoffe

Die MPA-Technologie wird kontinuierlich weiterentwickelt. Damit ist eine stetig wachsende Anzahl von Materialien verfügbar:

Stähle

• 1.2344 Warmarbeitsstahl (H13)
• 1.2367 Warmarbeitsstahl
• 1.4404 Rostfreier Stahl (316L)

Schwermetalle

• Reinkupfer
• Bronze

Leichtmetalle

• Titan
• Aluminium

Füllmaterial für Innengeometrien (wasserlöslich)

3D-Bauteile herzustellen ist durch die 3D-Drucktechnik in aller Munde. Seit vielen Jahren sind auch unterschiedlichste Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen am Markt. Ziel ist es, Bauteile zu fertigen, die zerspanend nicht oder nur teilweise herzustellen sind.

Mit dem MPA-Verfahren können temperierbare Werkzeuge und Formeinsätze mit innenliegenden Kühlkanälen oder mit integrierten Heizelementen hergestellt werden. Auch runde Bauteile mit diesen Anforderungen sind möglich. Im Bild ein Spritzgusswerkzeug aus 1.2344 (härtbarer Warmarbeitsstahl, H13).

Auftragen und Zerspanen in einer Maschine

Mit der MPA-Technologie werden Bauteile aus Metallpulver erzeugt, die unter Produktionsbedingungen eingesetzt werden können. Die MPA-Technologie ist ein thermisches Spritzverfahren für Metallpulver. Es ermöglicht die generative Fertigung von großvolumigen Bauteilen mit nahezu beliebiger Innengeometrie. Für den Materialauftrag werden Pulverpartikel über ein Trägergas auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und über eine Düse auf das Substrat aufgebracht. Lokale Drücke von 10 GPa und Temperaturen bis zu 1.000 °C beim Aufprall führen zu einer starken Deformation der Partikel. Dabei entsteht eine bindende Kontaktfläche zum Werkstück. Die Auftragseinheit für das Metallpulver ist in ein Hermle 5-Achsen-Bearbeitungszentrum integriert. Damit wird die bewährte Hermle Zerspanungstechnik um die vielfältigen Möglichkeiten der generativen Fertigung erweitert.

Die Integration der Auftragseinheit in ein Hermle 5-Achsen-Bearbeitungszentrum erlaubt hybride Fertigungsprozesse, bei denen Materialauftrag und Zerspanung in einer Maschine kombiniert werden. Der Materialauftrag erfolgt schichtweise immer so weit, wie die jeweiligen Bauteilkonturen zur Fräsbearbeitung zugänglich sind. Nach der Bearbeitung der Konturen folgt dann wieder ein Wechsel in das Auftragsverfahren. Auf diese Weise wird ein massiver Volumenkörper aus zwei oder mehr Materialien aufgebaut.

Für die Erstellung der Programme mit wechselnden Auftrags- und Zerspanungspfaden wird die eigens für den MPA-Prozess entwickelte CAD/CAM-Software MPA Studio verwendet. Sie ermöglicht die für den Materialaufbau notwendige schichtweise Analyse und Bearbeitung der Bauteilgeometrie. Die Simulation des kompletten Prozessablaufs sowie Qualitätssicherungsfunktionen zur Kontrolle der gefertigten Bauteile machen die Software zu einem flexiblen und vielseitigen Werkzeug für die MPA-Technologie.

Materialien – Metallpulver

Ausgangsmaterial für das Auftragsverfahren sind Metallpulver mit Korngrößen von 25 bis 75 μm. Die Verwendung eines speziellen Füllmaterials ermöglicht die Realisierung von innenliegenden Hohlräumen, Kanälen und hinterschnittigen Konturen. Es ist wasserlöslich und wird am Ende des Prozesses herausgespült um die Innengeometrie freizulegen. Eine abschließende Wärmebehandlung optimiert das Gefüge und gibt dem Bauteil die gewünschte Härte.

Fertigung eines Zylindermantel mit integrierter Kühlung: Für die abgebildete zylinderförmige Innenform ist eine gleichmäßige Temperierung der Mantelfläche notwendig. Dafür wird ein Rohling aus Warmarbeitsstahl mit dem MPA Verfahren um einen Mantel mit einem integrierten wendelförmigen Kühlkanal ergänzt. Ausgangsbasis für die zu fertigende Form ist ein zylinderförmiger 1.2344 Rohling. Zunächst wird in den Rohling ein Wendelkanal gefräst. Diese spätere Innenkontur wird sogleich von der MPA Anlage mit einem

Werkstücke und Anwendung

Die Hermle Maschinenbau GmbH fertigt auf den Hermle MPA-Bearbeitungszentren Bauteile mit integrierten Innengeometrien. Neben oberflächennahen Kühlkanälen können auch Heizleiter und Thermoelemente eingebettet werden. Thermische Problemstellen werden so gezielt entschärft. Insbesondere für den Spritz- und Druckguss lassen sich so optimal temperierte Formen und Werkzeuge herstellen.

Das Auftragsverfahren ermöglicht es zudem existierendes Halbzeug mit generativ gefertigten Komponenten flexibel zu ergänzen. Das Resultat sind hybridgefertigte Bauteile mit mehreren hundert Kilogramm Gewicht und bis zu 500 mm Durchmesser.

Werkzeuge und Formen mit konturnaher Temperierung sind insbesondere im Spritz- und Druckgussbereich gefragt. Das flexible Einbetten von Kanälen, Heizleitern und Thermoelementen in die generativ gefertigten Bauteile entschärft hier viele thermische Problemstellen.

Materialanalyse und Qualitätskontrolle

Die Fertigung von Bauteilen hoher Qualität erfordert für jedes verwendete Metallpulver die optimale Abstimmung der Prozessparameter. Die Eigenschaften des entstehenden Gefüges werden in umfangreichen Versuchsreihen mit Referenzbauteilen bestimmt. Neben Druck- und Zugproben der Bauteile werden auch Schliffe zur Untersuchung im Lichtmikroskop angefertigt. Bei bis zu 1.000-facher Vergrößerung werden daraus Informationen über Partikel – und Schichthaftung, Porosität und eventuelle Einschlüsse gewonnen.